Fabrication et caractérisation de nouvelles structures hexagonales en composite à matrice céramique pour application nucléaire

Colloque N°16 – Matériaux en conditions extrêmes

26 NOVEMBRE 2014

F

ABRICATION ET CARACTÉRISATION

DE NOUVELLES STRUCTURES HEXAGONALES

EN COMPOSITE À MATRICE CÉRAMIQUE

POUR APPLICATION NUCLÉAIRE

Christophe Lorrette, Cédric Sauder

CEA-Saclay, DEN, Gif-sur-Yvette, France et

Rémi Bertrand, Gérald Camus

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INTRODUCTION

C

ONTEXTE

Tube hexagonal : le concept de « TH mixte »

Tronçons Tête Partie courante (sous flux) Squelette Pied épaisseur : 3,25 mm longueur : 4x250 mm 200 mm Aiguilles

F

ONCTIONS

Continuité mécanique axiale de l’assemblage Maintient d’un débit de caloporteur

Protection du faisceau fissile

Selon le Brevet CEA 2011, A. Ravenet, n° FR2951312 (A1)

Motivations :  Solution purement métallique écartée (pénalité neutronique, ex NbZrC ou V₄Cr₄Ti)

 Transparence neutronique et réfractarité des composites SiC/SiC

 Solution purement monobloc inenvisageable (liaisons métal/céramique « tête » et « pieds »)

Pré-dimensionnement des tronçons :

Contrainte principale Flexion des faces induite par la surpression du caloporteur

Objectif de la R&D – Démontrer la faisabilité de fabrication de tronçons

hexagonaux en composites SiC/SiC pour application nucléaire

FABRICATION

Bénéficier de l’expérience acquise dans la fabrication des gaines de

combustible en SiC/SiC (fibre SiC dernière génération et CVI)

Difficulté à surmonter : liée au choix et à la fabrication de la préforme fibreuse

CE QUI CHANGE POUR LE

TH :

D

IAMÈTRE

E

PAISSEUR

F

ORME

10 mm  200 mm

1 mm  3,25 mm

Cylindrique  Hexagonal

I

NFILTRATION

CVI

(interphase + matrice) OPÉRATIONS DE LISSAGE

E

NROULEMENT FILAMENTAIRE

T

RESSAGE

O

UTILLAGES (Mandrins, supportage)

Couche intérieure (lissage)

Corps du composite

(résistance mécanique)

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FABRICATION

Matériaux 2014 | 26 Novembre 2014

C

OUCHE EXTERNE TRESSÉE

Nécessité d’une étape supplémentaire de reconditionnement du fil

Solution étudiée dans ce travail : tressage de fils assemblés

« + large » / Homogène / Stabilité dimensionnelle / Taux de fibre élevé

« Tresses plates » HNS 33 brins

(voie également explorée)

D

IAMÈTRE

F

ORME

Tressage d’une structure « TH » impossible à partir du fil unitaire

Machine de grande capacité d’emport de fils (>800 fuseaux) non accessible

P

ROCÉDÉ DE MISE EN FORME RETENUE

:

Tressage interlock de fils plats assemblés « multibrins »

Travaux menés avec fibres de

Carbone à l’échelle 1/2

SiC Hi-NS Carbone M40J

Module fibre (GPa) 375 377 Fibre par fil 500 3K

Diamètre (µm) 13 5

Titre (g/1000m) 191 113

P

RÉPARATION DES FILS MULTIBRINS

FABRICATION

 Assemblage 10 fils unitaires

(maximum possible, défini par les fuseaux existants)  Retordage à 10 tr/m

(compromis maintien du fils / comportements)

Paramètres retenus :

Etape effectuée directement à partir du fil brut de réception

Largeur cible : > 4 mm

T

RESSAGE MULTICOUCHE INTERLOCK

Pleine occupation machine (320 fuseaux) Angle moyen fixé à 45°

Adaptation des fuseaux

Tresseuse

2 pièces tressées

« Proto complet » Matériau

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CARACTERISATIONS

25 mm Couche tressée uniquement

Maille élémentaire

P O M I H F C A 1 3 7 10 12 15 16 20

Construit sur 8x8 fils (surface de 32x32 mm²) Du même ordre de grandeur que la largeur des plats

32 mm (face externe)

S

TRUCTURALES ET

M

ICROSTRUCTURALES

Matériaux 2014 | 26 Novembre 2014

P

IÈCES DENSIFIÉES (INSTALLATION CEA)



Conditions recherchées pour obtenir un comportement

endommageable – Interphase PyC

Bonne infiltration

des fils Macroporosité

impossible à combler par CVI

Confirmation de l’endommagement initial caractéristique des C_f/SiC

Fissuration pré-existante

Analyses en Tomographie X

0 20 [mm]

– Bonne couverture –

mais obtenue par la présence des fils sous-jacents

1

er

_résultat

Macroporosité inhérent au tressage interlock

Mise en évidence de l’inhomogénéité des fils qui se « désolidarisent »

2

nd

_résultat

Plan 1 Plan 2 Plan 3 Plan 4 Plan 5

S

TRUCTURALES ET

M

ICROSTRUCTURALES

CARACTERISATIONS

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C

OMPORTEMENT

M

ÉCANIQUE

Validation du comportement « endommageable »

TRACTION CYCLÉE UNIAXIALE

– PRÉLÈVEMENT À

0°

P

ertinence de cette voie pour concevoir un

matériau « défragilisé »

0,0E+00 1,0E+05 2,0E+05 3,0E+05 4,0E+05 5,0E+05 6,0E+05 7,0E+05 8,0E+05 9,0E+05 0 500 1000 1500 2000 2500 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Emis si on A co u sti q u e (cp s cu m u lé s/ s) Fo rc e (N ) Déformation (%) Force en fonction de la déformation moyenne des jauges

E.A

I

Elastique

II Fissuration matricielle

III Reprise filamentaire

I II III Eprouvette : 18*4mm² Eprouvette rompue Corrélation d’image Matériaux 2014 | 26 Novembre 2014

CARACTERISATIONS

Validation du comportement « endommageable »

TRACTION CYCLÉE UNIAXIALE

– PRÉLÈVEMENT À

0° - EPROUVETTE LARGE

(37MM)

Eprouvette rompue

E

ffet d’échelle démontré, résultats à corréler avec la taille du motif élémentaire

C

OMPORTEMENT

M

ÉCANIQUE

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Examen post-mortem

 Longueur extraction de fibres modestes



Net augmentation de l’endommagement

- Fissuration intra-fil perpendiculaire à la direction de sollicitation - Fissuration matricielle en surface

Matériaux 2014 | 26 Novembre 2014

CARACTERISATIONS

C

OMPORTEMENT

M

ÉCANIQUE

 Rupture en « Cascade »

sous entendu par paquets de fibres au sein d’un fil multibrin (différents niveaux)

0 100 200 300 400 500 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

For

ce

(F)

Déplacement (mm)

Essai_01 Essai_02

Essais de dimensionnement

– flexion 3 points

FLEXION

3 POINTS À APPUIS ÉLOIGNÉS

(30 MM)

R

upture non brutale

(sous les appuis)

V

alidation de la structure

à accommoder une

déformation par

endommagement

C

omportement

reproductible

F plans

_┴

CARACTERISATIONS

C

OMPORTEMENT

M

ÉCANIQUE

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CONCLUSION

E

NSEIGNEMENTS ET SUITES À DONNER



Fabrication d’un composite C/SiC de géométrie compatible avec l’application TH démontrée



Pertinence de la voie explorée pour concevoir un matériau défragilisé :

Matériaux 2014 | 26 Novembre 2014

Le procédé reste cependant perfectible



Tressage 2D préconisé au Tressage interlock



Nécessité d’un procédé robuste pour la préparation des fils

• Suppression de la désolidarisation au sein des fils

• Etude des fils multi-brins seuls en SiC, mini-composite

• Structure serrée, taux de fibre élevé, élimination de la macroporosité



Envisager de combler les macroporosités par une matrice SiC en voie liquide

• Elimination de la macroporosité

• Nécessité toutefois de garder une pureté élevée (grade nucléaire)

•

Comportement non linéaire élastique endommageable, capable de supporter une contrainte

localisée, et de se déformer,

•

Endommagement prédominant :

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Matériaux 2014| 26 NOVEMBRE 2014

MERCI DE VOTRE ATTENTION

Christophe Lorrette, Cédric Sauder

CEA-Saclay, DEN, Gif-sur-Yvette, France et

Rémi Bertrand, Gérald Camus

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BACK-UP

L

ES

A

CQUIS

M

ANDRIN ET OUTILLAGE SUPPORT (brevet CEA 2011, C. Sauder et C. Lorrette, n°FR 2972448)

Opération d’extraction des mandrins après consolidation validée

Mandrin en verre de silice

Géométries définies / respects des côtes (courbure et plat)

Finition sablée (positionnement des fils amélioré, glissement limité)

Réalisation d’outillages support

Serrage ajustable

Emport de deux pièces – ici à l’échelle 1/2

C

OUCHE INTERNE DU COMPOSITE

:

Enroulement filamentaire réalisé à partir du fil unitaire (Angle 55°, patron 1/2)

Fibres SiC HNS

Zone exploitable 200 mm

α = 55°

Fibres C - M40J Reproduit avec fibre C sans difficulté,

mais recouvrement encore perfectible

Réalisation sur les moyens propres CEA (DMN/SRMA/LTMEX)